IŞIK NEDİR

Işık Nedir?

Çok eski çağlardan beri; bilim adamları, elektromanyetik tayf’ın dar bir  bölümündeki radyasyon formlarını, göz sayesinde algılayabildikleri için  buna ışık adını verdiler, ne olduğunu merak ettiler ve ilgi gösterdiler. Önceleri; Antik çağda, Yunanlılar zamanında, gözün, bakılan cisme  doğru ışık ışınları yaydığı düşünülürdü, Epikür görüntünün gözden  kaynaklanan resimlerden oluştuğunu ileri sürmüş, Platon ışığın bakılan  cisimlerden göze geldiğini iddia etmişti. Daha garip düşünceler de  mevcuttu; bunlar arasında, gözden fırlayan parçacıklar ile görme  sağlandığı düşüncesi de mevcuttu. Bu düşünceler Antik çağdan  17. y.y. kadar uzanan düşünceleridir.

1675 yılında ilk kez Danimarkalı astronom Römer ışığın hızı konusuna  eğildi, Jüpiter’in bir ydusunun gezegen arkasında kalma süresini hesaplamakta olan Römer, bu sürenin gezegenin dünyaya uzaklığı  arttığında fazlalaştığını farketti ve bunun ışığın daha çok yol katetmesi ile ilgili olduğunu düşünerek ışığın hızı konusuna dikkati çekti.

Newton 1704'de ışık deneyleri ile ilgili çalışmalarını yazdığı  ‘Optics’  kitabını yayımladı. Newton ışık ile ilgili olarak çalışırken, Hollanda'da  Cristian Huygens bir teori geliştiriyordu ve ilk bilimcilerin tersine ışığın  parçalardan değil dalgalardan meydana geldiğini öne sürüyordu. O da Decartes, Newton ve daha başkaları gibi çok ince ve elastik  nitelikte olan ve  ışığın yayılmasını sağlayan bir ortamdan bahsediyordu, bu madde tüm uzayı baştanbaşa dolduruyordu ve bu ortam ışık  dalgalarının yayılmasını sağlıyordu. Daha sonraları eter veya esir  denen ve varlığı ile ilgili pek çok çalışma yapılan sonunda yokluğuna  karar verilen daha doğrusu tespitinin mümkün olamayacağı ispatlanan  bir madde idi bu. Huygens'in çalışmaları her ne kadar Snell'in kırılma  yasalarını destekliyorsa da, ışık düz gidiyor ve köşeleri dönmüyordu. Bu sıralarda ışık için kafa yoranlardan biri de Robert Hooke idi. O da ışığın eğri dalgalardan olduğu gibi bir varsayım geliştirmişti. Newton'un parçacık teorisi ile Huygens'in dalga teorisi arasındaki  kavgayı o yıllarda tüm ağırlığınca hissedilen Newton'un Otoritesi  kazandı. Öyle ki: Dönemin ünlü bir bilim adamı Newton için ‘Acaba  onun da bizim gibi yeme, içme, uyuma gibi ihtiyaçları var mı?’ diye  sormaktan kendini alamamıştır.

19. yüzyılda Thomas Young ortaya çıktı ve dalga teorisine ağırlık  kazandırdı, o güne kadar dalga teorisi ile açıklanamayan kırınım ve keskin gölge olayına, yeteri kadar kısa dalga uzunluklarında ışık  hem düz gidebilir hem de keskin gölge yapabilir diyerek açıklık getirdi, girişim yasalarını açıkladı ve ışığın dalga uzunluğunu öçtü. Bu arada  Fresnel adında bir Fransız bilim adamı kırınım olayını başarı ile  açıkladı ve dalga teorisi güçlendi.

Daha sonraları Fizeau, Foucault, Michelson ışık hızı ile ilgili deneyler  yaptılar. Michelson 299.770 km/sn olarak ışık hızını belirledi. (Boşlukta  ışık yayılma hızı 299.793 km/sn'dir.) Boşluk ışık hızı, kırılma indisine  bölünerek o ortamdaki ışık hızı bulunur. Havanın kırılma indisi 1,0003'tür o halde hava içinde ışık hızı 299.703 km/sn olarak bulunur. Elmasın kırılma indisi 2. 42 dir o halde ışık hızı elmas içinde 124 .000 km/sn dir.

Clerk Maxwell  19. yüzyıl ortalarında elektromanyetik dalga kuramını  geliştirdi ve elektromanyetik dalgaların ışık hızında hareket ettiğini gösterdi, o halde ışık da bir elektromanyetik dalga formunda olabilirdi. Ayrıca daha başka elektromanyetik radyasyon formlarının da varlığı araştırılmalı idi.

Işığın dalga formu 20. yüzyıl başlarına kadar ön planda oldu. 1900 yılında Max Plank‘ın kara cisim ışımasına ait kuramsal çalışması yayınlandı ve sonuçta Plank enerjinin, enerji paketçikleri  olarak yayıldığını ortaya koydu ve bu paketçiklere ‘Quanta‘ adını verdi. Enerji quantumları E= hxf  olarak formülize edilmekteydi.  Bu teori de ki ‘h’  ifadesi doğanın değişmezlerinden biri olan Plank sabitini ifade etmektedir ve 6.62x10^-34 joule/sn'dir. Quantum  teorisi ile dalga teorisi sarsılmadı ama, doğanın sürekliliği yasası  yara aldı. ‘Natura non facit saltus‘ sallanmaya başlamıştı.  1905 yıllarına gelindiğinde Einstein‘ın Fotoelektrik Etki Teorisi  Quantum teorisini doğruladı. Daha sonraları ‘Tanrı zar atmaz' diyerek quantum teorisini kabullenmekte zorlanan Einstein’ın, özel rölativite kuramı ile; bizim evrenimiz için ışık hızının sınır olması  ve ışık hızına erişilememesi, evrenin sınırlarını ortaya koydu. Yine; çekim alanından geçen ışığın sapması varsayımının deneylerle  doğrulanması, ışığın parçacık teorisini güçlendirdi. Planck ın  E=hxf  olarak ortaya koyduğu formül, quantum denen enerji paketi ile ışığın frekası arsındaki ilişkiyi ortaya koymakta idi. Işık artık enerji paketçikleri idi. Einstein Foto - Elektrik Etki olayını açıklarken ışığın foton adı verilen enerji parçacıkları olduğunu gösterdi.

Bu sıralar Niels Bohr adında bir Danimarkalı bilim adamı ortaya çıktı  ve yeni bir atom modeli ortaya koydu. Bu modelde elektronlar çekirdek etrafında belli yörünge seviyelerinde olabilirdi ara seviye  söz konusu değildi. Elektronların bu seviyeler arasında sıçraması söz konusu idi. Daha sonraları pek çok bilim adamının; dalga mekaniği, istatiksel mekanik konularında yaptığı çalışmalarla quantum teorisi dev  adımlarla ilerledi. Bunlar arasında Heisenberg, Pauli, Landau, Born, Dirac gibi fizikçiler vardı.

1950 yıllarından sonra, elementer parçacıklar konusunda yapılan  çalışmalar ve atomun yapısı ile ilgili yeni buluşlar 4 çeşit madde etkileşimleri olduğunu ortaya koydu. Bunlar Kütlesel Çekim, Elektromanyetik, Zayıf Etkileşim ve Güçlü Etkileşim olarak tanımlandı  (Bu konuyu bir başka yazımızda daha geniş olarak ele alacağız).  Elektromanyetik etkileşimle bağlantılı olan gluon'a foton adı verildi. Yani 1905 de Einstein'ın ortaya koyduğu ışık parçacığı.

Bu konu ile ilgilenen Quantum elektrodinamiği; elektromanyetik alanın  yani ışığın gluon'unun foton olduğunu söyler. Foton kütlesi '0' olan ve  elektrik yükü '0' olan bir gluon'dur. Özel Rölativite'nin ortaya koyduğu  ışığın çekim alanında sapması olayı bize foton adı verilen bu 
parçacığın bir kütlesinin olduğunu söylemektedir keza ışık basıncı'nın  olması da fotonun bir kütlesi ve momentumu olduğunu gösterir.
O halde ışık hızında, foton'un bir kütlesi vardır.
Her ne kadar rölativistik olarak düşünüldüğünde, hiçbir kütle ışık  hızına ulaşamaz, rölativistik kütle artış formülünde, bir kütlenin ışık 
hızına ulaşması durumunda kütlesi sonsuz olur. Sonsuz bir kütle  sonsuz enerji demektir, bu da mümkün değildir. Peki o halde 
fotonlar nasıl olup da ışık hızında gidebilmektedirler?
Rölativistik olarak bir kütlenin ışık hızına ulaştırılamaması fotonlar  için geçerli değildir; çünkü foton öncelikle sükünet kütlesi '0' olan 
bir quantadır. Sükünet kütlesinin '0' olması da fotonun özel halini  tam olarak açıklamamaktadır ve bir belirsizlik vardır ki bu kütle artış 
formülünde v = c alındığında  sükünet kütlesi '0' olan foton'un  kütlesi  belirsiz olarak bulunur . Bu çelişki ancak şimdilik bu formülün 
fotonlara uygulamaz demesi ile unutulmaya çalışılmaktadır.
Pratikte biz ışık diye elektromanyetik tayfın görünen ışık kısmındaki,  elekromanyetik  dalgaları içeren dar bir bölümününden bahsederiz;
çünkü görsel olarak bu bölümün algılanması göz sayesinde kolayca  başarılır. Bunun dışında olan elektromanyetik dalgalar çeşitli cihazlarla 
görülür hale getirilerek veya etkileri belirlenerek algılanır.
"Işık nedir?" sorusunun cevabı etrafındaki kavga artık sona ermiş  durumdadır. Işık hem dalga hem parçacıktır yani kimilerinin deyimi 
ile ‘wavicle’ dır. Yani kimi zaman particle (parçacık)  kimi zaman wave (dalga).